DE102004039926A1

DE102004039926A1 - Verfahren zur Herstellung eines temperatur- und korrosionsbeständigen Kraftstoffinjektorkörpers

Info

Publication number: DE102004039926A1
Application number: DE200410039926
Authority: DE
Inventors: Nils Lippmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-08-18
Filing date: 2004-08-18
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2024-08-19
Also published as: DE102004039926B4; WO2006018348A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen für Kraftstoffinjektoren aus einem ferritischen oder martensitischen, rostbeständigen Werkstoff. Es werden nachfolgende Verfahrensschritte durchlaufen: Zunächst wird das Bauteil im weich vorbearbeiteten Zustand einer Behandlung in N¶2¶-Atmosphäre bei einer Behandlungstemperatur zwischen 1000 DEG C und 1150 DEG C unterzogen. Das Bauteil wird anschließend von Behandlungstemperatur auf Raumtemperatur abgeschreckt und nach Abschrecken des Bauteils auf Raumtemperatur erfolgt ein Tiefkühlen des Bauteils. Nach dem Tiefkühlen des Bauteils wird dieses bei mittleren Anlasstemperaturen angelassen.

Description

Technisches Gebiet
Kraftstoffinjektor bzw. Düsenkörper in Kraftstoffeinspritzanlagen für selbstzündende Verbrennungskraftmaschinen werden aufgrund der stetig zunehmenden Leistungsdichte immer höher thermisch beansprucht. Einerseits steigt das Druckniveau, mit welchem insbesondere Kraftstoffinjektoren von Kraftstoffeinspritzanlagen beaufschlagt werden, kontinuierlich an, andererseits wird aufgrund des beengten Einbauraums angestrebt, Kraftstoffinjektoren so zu gestalten, dass sie möglichst Platz sparend eingebaut werden, d.h. die Kraftstoffinjektoren bauen immer kleiner. Neben der thermischen Beanspruchung ist erheblich, dass der Kraftstoffinjektorkörper einer Korrosionsbeanspruchung ausgesetzt sind. Aus der hohen thermischen Beanspruchung sowie der Beanspruchung durch Korrosionserscheinungen der Kraftstoffinjektorkörper resultieren Ausfälle, vor allem im Schaftbereich des Kraftstoffinjektorkörpers infolge Spannungsrisskorrosion.

Bei derzeit ausgebildeten Kraftstoffinjektoren für Kraftstoffeinspritzsysteme für Verbrennungskraftmaschinen, seien es Hochdruckspeichereinspritzsysteme (Common Rail), seien es Pumpe-Düse-Einheiten (PDE) oder seien es Pumpe-Leitungs-Düse-Einheiten (PLDE), werden die Injektor- bzw. Düsenkörper aus einsatzgehärtetem 18CrNi8 gefertigt. Dieser Werkstoff ist bis zu einer Kuppentemperatur von 300°C einsetzbar. Bei einer sich einstellenden Kuppentemperatur von 360°C wird auf einsatzgehärtetem X40CrMoV5-1 zurückgegriffen und bei Kuppentemperaturen bis 450°C wird nitrierter X40CrMoV5-1 eingesetzt.

Bei den aufgezählten einsatzgehärteten Werkstoffen ist von Nachteil, dass diese entweder gar nicht oder nur geringfügig korrosionsbeständig sind. Die allenfalls nur in geringem Maße vorhandene Korrosionsbeständigkeit wird zudem durch die mit der Wärmebehand lung, der einsatzgehärtete Werkstoffe unterzogen werden, verbundenen Chromcarbid- oder Chromnitrit-Ausscheidung nochmals herabgesetzt. Die Wärmebehandlung ist jedoch zur Herstellung einer ausreichenden Härte des Werkstoffs unumgänglich.

Darstellung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, einen Injektor- bzw. Düsenkörper aus einem korrosionsbeständigen Stahl vorzugsweise einem ferritischen oder martensitischen, rostbeständigen Stahl mit der Zusammensetzung C 0,06–0,4 %, Cr 11–25 % sowie Mo <1,5 % zu fertigen. Des weiteren können Nickel, Silizium und Mangan bis zu 1,5 % enthalten sein.

Im weich vorbearbeiteten Zustand wird ein Kraftstoffinjektor- bzw. Düsenkörper einer Aufstickbehandlung in einem Vakuumofen unterzogen, wobei folgende Behandlungsparameter erheblich sind:
Die Behandlungstemperatur innerhalb des Vakuumofens liegt zwischen 1000°C–1150°C; die innerhalb des Vakuumofens herrschende Atmosphäre ist eine Stickstoffatmosphäre mit einem Druck zwischen 0,1–2 bar, wobei die Dauer der Aufstickbehandlung innerhalb des Vakuumofens zwischen 0,5–8 h liegen kann. Nach der Aufstickbehandlung des Kraftstoffinjektorkörpers, welcher ein nahezu endmaßgenaues Bauteil darstellt, das zur Einstellung der exakten Maße an Toleranzen lediglich noch nachzuschleifen ist, erfolgt ein Abschrecken von der Behandlungstemperatur, die zwischen 1000°C und 1150°C liegt, auf Raumtemperatur. Das Abschrecken erfolgt vorzugsweise mit Stickstoff bei einem Druck von 2–10 bar. Vorzugsweise sollte das Abschrecken des Injektor- bzw. des Düsenkörpers direkt von der Aufstickatmosphäre erfolgen, um eine Entstickung, d.h. eine Abnahme des Stickstoffgehalts im Randbereich des Werkstücks oder des Werkstückrohlings zu vermeiden.

Die Temperaturen, die Atmosphäre sowie die Dauer des Aufstickprozesses innerhalb des Vakuumofens hängt vom zu erreichenden Stickstoffprofil ab. Vorzugsweise werden Randstickstoffgehalte zwischen 0,3 und 0,6 % eingestellt, wobei die Aufsticktiefen, je nach Beanspruchung und Größe des Düsenkörpers zwischen 0,3 und 1,5 mm variieren. Die Aufsticktiefen hängen in erheblichem Maße von der Dauer der Aufstickbehandlung innerhalb des Vakuumofens ab.

Nach dem Aufsticken erfolgt ein Tiefkühlen des Werkstückes innerhalb eines Temperaturbereiches von –60°C bis –196°C, um den Restaustenit umzuwandeln. Danach erfolgen eine oder gegebenenfalls mehrere Anlassbehandlungen der Teile bei Temperaturen zwischen 400°C–550°C, um weiteren Restaustenit abzubauen und gleichzeitig eine hohe Zähigkeit einzustellen.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Behandlung des Injektor- bzw. des Düsenkörpers eines Kraftstoffinjektors lässt sich eine wesentlich höhere Korrosionsbeständigkeit dieses Bauteils erreichen. Verglichen mit der Herstellung temperaturbeständiger Düsenkörper durch Vergüten und Nitrieren, kann durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren infolge kürzerer Prozesszeiten und einer weniger aufwendigen Anlagentechnik eine kostengünstige Alternative für die Herstellung temperaturbeständiger Düsenkörper liegen. Aufgrund der Werkstoffzusammensetzung lässt sich eine bessere Bearbeitbarkeit der erhaltenen Kraftstoffinjektorkörper bzw. Düsenkörper erzielen, im Vergleich zu durchhärtenden rostfreien Stählen, die durch hohe Kohlenstoff- bzw. hohe Stickstoffgehalte gekennzeichnet sind. Des weiteren stellt sich im Vergleich zu diesen Stählen eine höhere mechanische Festigkeit des wie erfindungsgemäß vorgeschlagen behandelten Werkstücks ein, da infolge einer Differenz zwischen der Rand- und der Kernhärte der Kraftstoffinjektor- bzw. Düsenkörper sich Druckeigenspannungen in deren Randschicht aufbauen.

Die Kernhärte der, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, einer Aufstickbehandlung unterzogenen Werkstücke hängt vom Kohlenstoffgehalt des Basiswerkstoffes ab. Da die Kernhärte im Vergleich zur Randhärte nach der Aufstickbehandlung und den sich anschließenden Abschreckschritten niedriger ist, weisen die wie erfindungsgemäß vorgeschlagen behandelten Werkstücke bessere Zähigkeitseigenschaften als durchhärtende rostfreie Stähle auf, die kohlenstoff- und stickstofflegiert sind. Als weiterer Vorteil sei genannt, dass die wie erfindungsgemäß vorgeschlagen behandelten Werkstücke sich durch hohe Kavitationsbeständigkeit auszeichnen.

Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher eingehender beschrieben.
Es zeigt:
1 einen Härte-/Tiefeverlauf des Werkstoffes X6Cr17 bei 1050°C, einer Behandlungsdauer von 5 h, einem N₂-Druck von 1 bar, einer Tiefkühlung bei –196°C und nach einem achtstündigen Anlassen bei 420°C und
2 ein Gefügebild des Werkstoffes, dessen Härte-/Tiefeverlauf in 1 dargestellt ist, bei den dort genannten Behandlungsparametern (ohne Anlassen).
Ausführungsvarianten
Dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren folgend wird ein Injektorkörper bzw. ein Düsenkörper für einen Kraftstoffinjektor oder einen Düsenhaltekörper aus einem ferritischen oder martensitischen, rostbeständigen Stahl der nachfolgenden Zusammensetzung hergestellt. Der ferritische oder martensitische, rostbeständige Stahl enthält zwischen 0,06 und 0,4 % Kohlenstoff, sowie Chrom zwischen 11 und 25 %, ferner Molybdän mit einem Anteil von <1,5 %. Des weiteren kann im Stahl Nickel, Silizium und Mangan bis zu 1,5 % enthalten sein. Aus einem derartig beschaffenen ferritischen oder martensitischen, rostbeständigen Stahl wird ein Injektorkörper oder ein Düsenkörper hergestellt, der im weich vorbearbeiteten Zustand einer Aufstickbehandlung innerhalb eines Vakuumofens mit folgenden Behandlungsparametern unterzogen wird:
Die Behandlungstemperatur, welcher der Injektorkörper bzw. der Düsenkörper des Kraftstoffinjektors oder eines Düsenhaltekörpers ausgesetzt wird, liegt zwischen 1000°C und 1150°C. Die Atmosphäre, die innerhalb des Vakuumofens herrscht und der der Düsenkörper bzw. der Injektorkörper für die Dauer der Behandlungszeit ausgesetzt ist, enthält Stickstoff, bei einem Druck zwischen 0,2 und 2 bar. Die erreichbaren Aufsticktiefen in den Randbereichen des Düsenkörpers bzw. Injektorkörpers hängen von der Behandlungsdauer des Bauteils, d.h. von der Einwirkzeit der im Vakuumofen herrschenden Stickstoffatmosphäre auf das im Vakuumofen enthaltene Bauteil ab. Die Behandlungsdauern können zwischen 0,5 h und 8 h liegen.
Während der Aufstickbehandlung des Injektor- bzw. des Düsenkörpers innerhalb des Vakuumofens ist die Oberfläche des Injektor- oder des Düsenkörpers der innerhalb des Vakuumofens herrschenden Stickstoffatmosphäre ausgesetzt. Der Stickstoff diffundiert demnach in die Oberfläche des Düsenkörpers bzw. Injektorkörpers, so dass dessen Randbereich eine erhöhte Stickstoffkonzentration aufweist.
Nach dem Aufsticken des Injektor- bzw. Düsenkörpers innerhalb des Vakuumofens erfolgt ein Abschrecken des Bauteils von der Behandlungstemperatur, die zwischen 1000°C und 1150°C liegt, auf Raumtemperatur, wozu vorzugsweise Stickstoff unter einem Druck zwischen 2 bis 10 bar eingesetzt wird. Dieses Abschrecken des im Vakuumofen enthaltenen Bauteils erfolgt vorzugsweise unmittelbar in der innerhalb des Vakuumofens herrschenden Aufstickatmosphäre, d.h. unter Präsenz von Stickstoff, um eine Randentstickung der zuvor eine Aufstickbehandlung unterzogenen Randbereiche des Injektorkörpers bzw. des Düsenkörpers zu vermeiden.
Je nachdem, welches Stickstoffprofil in den Randbereichen des Injektorkörpers bzw. des Düsenkörpers eines Kraftstoffinjektors bzw. einer Düsenhaltekombination gewünscht ist, werden die Temperaturen, die Atmosphäre sowie die Dauer der Behandlung des Aufstickprozesses gewählt. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn im Randbereich eines Düsenkörpers bzw. eines Injektorkörpers Stickstoffgehalte zwischen 0,3 % und 0,6 % eingestellt werden. Die Tiefe, d.h. die Aufsticktiefen in den Randbereichen des Injektorkörpers bzw. Düsenkörpers, können je nach Beanspruchung und Größe des Injektorkörpers und des Düsenkörpers zwischen 0,3 mm und 1,5 mm liegen. Die Aufsticktiefen, bis deren Tiefe in Bezug auf das Werkstück eine Stickstoffanreicherung erfolgt, hängen im Wesentlichen von der Beanspruchung des Bauteils, d.h. von dessen thermischer Beanspruchung, von dessen mechanischer Beanspruchung durch Druckbeaufschlagung sowie von dessen Größe ab.
Nach dem Aufstickvorgang des Injektor- bzw. Düsenkörpers innerhalb des Vakuumofens erfolgt ein Tiefkühlen des Werkstücks innerhalb eines Temperaturbereichs zwischen –60°C bis –196°C, um den Restaustenit umzuwandeln. Danach werden die Werkstücke bei Temperaturen zwischen 400°C bis 550°C über mehrere Stunden lang ein- oder mehrfach angelassen.
Der Darstellung gemäß 1 ist als Ausführungsbeispiel der Härte-/Tiefeverlauf des Werkstoffs X6Crl7 zu entnehmen, der eine Aufstickbehandlung bei 1050°C über eine Behandlungsdauer von 5 h erfahren hat. Die Stickstoffatmosphäre innerhalb des Vakuumofens stand unter einem Druck von 1 bar. Nach dem Abschrecken des zuvor aufgestickten Werkstücks erfolgte das Tiefkühlen bei einer Temperatur von –196°C (Kurvenverlauf 6), woran sich ein Anlassen des Werkstücks über eine Zeitdauer von 8 h bei einer Anlasstemperatur von 420°C anschloss (Kurvenverlauf 7). Der Kurvenverlauf 6 zeigt die sich einstellende Härte im Oberflächenbereich des Werkstücks zum Kern hin bei einer Aufstickbehandlung und einem sich daran abschließenden Tiefkühlen, während der Kurvenverlauf 7 den sich einstellenden Härteverlauf von der Oberfläche des Werkstoffs zum Kern hin nach einer Aufstickbehandlung dem Tiefkühlen sowie einem Anlassen bei einer Temperatur von 420°C über 8 h wiedergibt. Das gemäß dieser Behandlungsparameter aufgestickte Werkstück weist in einem Randbereich 2 eine Aufsticktiefe 9 auf, die in einen ersten Teilbereich 3 und in einen zweiten Teilbereich 4 aufteilbar ist. Ein dritter Teilbereich 5 stellt den Kern des Werkstücks dar.
Innerhalb des ersten Teilbereichs 3 des Randbereichs 2, welches eine Aufsticktiefe zwischen 0 und 0,5 mm, um ein Beispiel zu nennen, entsprechen kann, liegt die Härte gemes sen in Vickers-Härte 0.30, in einem Bereich von etwa 600 auf einem konstanten Niveau. Am Übergang des ersten Teilbereichs 3 zum zweiten Teilbereich 4 erfolgt ein starkes Absinken der Härte gemäß des Kurvenverlaufs 6. Innerhalb des zweiten Teilbereichs (vgl. Bezugszeichen 4 der Aufsticktiefe 9) fällt die Härte von 600 HV auf die Kernhärte. Der zweite Teilbereich 4 erstreckt sich im Randbereich 2 des Bauteils 1 zwischen 0,5 mm und 1 mm; an den zweiten Teilbereich 4 schließt sich der Teilbereich 5 an, der sich etwa von 1 mm bis 1,5 mm in Richtung auf den Kern des zu behandelnden Werkstücks erstreckt. Innerhalb des dritten Teilbereichs 5, liegt im Wesentlichen eine Vickers-Härte (HV) von etwa 200 vor, die über den dritten Teilbereich 5, der dem Kern des Bauteils 1 entspricht, gesehen, im Wesentlichen konstant bleibt.
Der Darstellung gemäß 2 ist ein Schliffbild zu entnehmen, welches dem Wärmebehandlungszustand des in seinem Härte-/Aufstickverlauf in 1 dargestellten Werkstücks entspricht.
Aus der Darstellung gemäß 2 geht hervor, dass im Randbereich 2 des Werkstoffs 1 eine martensitische Mikrostruktur vorliegt, die zur dargestellten hohen Härte im Randbereich 10 des Bauteils 1 führt. Im Bereich des Härteabfalls liegen neben martensitischen Körnern auch ferritische Bereiche vor, die in der Darstellung gemäß 2 weiß dargestellt sind.
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren lässt sich eine wesentlich höhere Korrosionsbeständigkeit von Injektorkörper- bzw. Düsenkörperbauteilen erreichen. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren stelle eine kostengünstige Alternative für die Herstellung temperaturbeständiger Düsen- oder Injektorkörper dar im Vergleich zum Vergüten und Nitrieren von durchhärtenden rostfreien Stählen. Es weist eine wesentlich kürzere Prozessdauer auf und zeichnet sich ferner durch eine weniger aufwendige Anlagentechnik aus. Die erhaltenen Werkstücke, die die erfindungsgemäß vorgeschlagene Aufstickbehandlung sowie das Abschrecken und ein sich an dieses anschließendes Anlassen durchlaufen haben, zeichnen sich durch eine bessere Bearbeitbarkeit aus, verglichen mit durchhärtenden rostfreien Stählen, die kohlenstoff- und stickstofflegiert sein können. Die mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren erhaltenen Werkstoffe weisen eine höhere mechanische Beanspruchbarkeit auf, verglichen mit den oben genannten Stählen, da infolge zwischen der Differenz der Rand und der Kernhärte (vergleiche Kurvenzug gemäß 1) sich Druckeigenspannungen in der Randschicht aufbauen. Aufgrund einer niedrigeren Kernhärte im Bereich zwischen 150 und 200 HV (Härte Vickers) liegend und der im Randbereich herrschenden Härte von etwa 600 bis 700 HV (Härte Vickers) weisen die Werkstücke wesentlich bessere Zähigkeitseigenschaften auf. Die erhaltenen Werkstücke sind ferner durch eine hohe Kavitationsbeständigkeit gekennzeichnet und relativ unempfindlich gegen zusammenbrechende, sich im Fluid bildende Dampfblasen, welche die Werkstoffe erheblich mechanisch beanspruchen, sobald der Fluiddruck unter dessen Dampfdruck sinkt.

1: Kernwerkstoff Injektor-/Düsenkörper
2: Randbereich
3: 1. Teilbereich (außen liegend)
4: 2. Teilbereich
5: 3. Teilbereich (innen liegend)
6: Werkstückbehandlung Aufsticken und Tiefkühlen
7: Werkstückbehandlung Aufsticken, Tiefkühlen und Anlassen
8: Härteverlauf
9: Aufsticktiefe
10: Schliffbild

Claims

Verfahren zur Herstellung von Bauteilen für Kraftstoffinjektoren aus einem ferritischen oder martensitischen, rostbeständigen Werkstoff mit nachfolgenden Verfahrensschritten: – das Bauteil wird im weich vorbearbeiteten Zustand einer Behandlung in N₂-Atmosphäre bei einer Behandlungstemperatur zwischen 1000°C und 1150°C unterzogen, – das Bauteil wird von Behandlungstemperatur auf Raumtemperatur abgeschreckt, – nach dem Abschrecken des Bauteils auf Raumtemperatur erfolgt ein Tiefkühlen des Bauteils und – das Bauteil wird ein- oder mehrmals bei mittleren Anlasstemperaturen angelassen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ferritische oder martensitische, rostbeständige Werkstoff einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,06 % und 0,4 %, einen Chromgehalt zwischen 11 % und 25 % und einen Molybdängehalt von <1,5 % aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils Nickel, Silizium und/oder Mangan bis zu einem Anteil von 1,5 % enthalten sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung des Bauteils in N₂-Atmosphäre bei einem N₂-Druck zwischen 0,2 bar bis 2 bar durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschrecken des Bauteils von Behandlungstemperatur auf Raumtemperatur mit N₂ bei Drücken zwischen 2 bar und 10 bar unmittelbar nach der Behandlung des Bauteils mit Behandlungstemperatur in N₂-Atmosphäre erfolgt.
Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Bauteilen im Randbereich (2) N₂-Gehalte zwischen 0,3 % und 0,6 % und Aufsticktiefen (9) zwischen 0,3 mm und 1,5 mm erzeugt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach dem Abschrecken auf eine Temperatur zwischen –60°C und –196°C abgekühlt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung des Bauteils in N₂-Atmosphäre bei Behandlungstemperaturen zwischen 1000°C und 1150°C während einer Dauer zwischen 0,5 h und 8 h durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlasstemperatur zwischen 400°C und 550°C gewählt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein- oder mehrmals angelassen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Randbereich (2) des Bauteils innerhalb eines ersten Teilbereichs (3) eine Vickers-Härte (HV) zwischen 800 und 600 eingestellt wird, mit einer Differenz zur im dritten Teilbereich 5, die dem Kern des Bauteils entspricht, von mindestens 100 HV.